王金滿 ，白中科，宿梅雙

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035；3.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085）

梯田是在山區(qū)、丘陵區(qū)的坡地上沿等高線修成臺(tái)階式或坡式斷面的耕地。梯田可以改變地形坡度,攔蓄雨水,增加土壤水分,防治水土流失,達(dá)到保水、保土、保肥目的,對(duì)于改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,促進(jìn)糧食生產(chǎn)的穩(wěn)步發(fā)展以及綜合治理與開(kāi)發(fā)有著顯著的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益?！吨腥A人民共和國(guó)水土保持法》規(guī)定,25°以下的坡地一般可修成梯田種植農(nóng)作物,25°以上的則應(yīng)退耕種樹(shù)種草。梯田按斷面形式可分為階臺(tái)式梯田和波浪式梯田,其中階臺(tái)式梯田又分為水平梯田、坡式梯田等[1]。

土地整治是實(shí)現(xiàn)耕地總量動(dòng)態(tài)平衡的有效措施,也是提高土地質(zhì)量、促進(jìn)土地集約化利用和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要手段,其對(duì)促進(jìn)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的意義。土地整治中土地平整土方量的大小與土地平整的投資直接相關(guān)[2]。由于坡改水平梯田的土方平整量較大,受到投資水平的限制,很多丘陵區(qū)土地整治項(xiàng)目的坡地都進(jìn)行降坡設(shè)計(jì),整理成坡式梯田。在丘陵地區(qū),由于地形起伏,土方量的測(cè)算比較困難[3]。當(dāng)前一些學(xué)者對(duì)水平梯田土方量的測(cè)算方法開(kāi)展了一定的研究,劉寧等[4]應(yīng)用數(shù)字高程模型（DEM）原理,結(jié)合GIS軟件提出了測(cè)算丘陵區(qū)水平梯田土方量的方法；金曉斌[5-8]等也對(duì)“3S”技術(shù)在土地平整中的應(yīng)用進(jìn)行了探討；《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范坡耕地治理技術(shù)》[9]中給出了坡改水平梯田的測(cè)算方法和測(cè)算公式,但是對(duì)坡式梯田沒(méi)有做出規(guī)定。準(zhǔn)確快速地測(cè)算土方量對(duì)開(kāi)展規(guī)劃設(shè)計(jì)、控制總投資及分配資金具有重要意義。測(cè)算坡式梯田土方量的方法不盡相同,當(dāng)前土地整治工程中的坡式梯田土方量的測(cè)算方法有縱斷面法、典型田塊法和直接量算法[10]。這些方法測(cè)算復(fù)雜、精度差,且具有一定的局限性。因此,丘陵區(qū)土地整治項(xiàng)目坡式梯田需要一種具有廣泛用戶基礎(chǔ)、操作簡(jiǎn)單、能充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源且測(cè)算結(jié)果精度較高的土方量測(cè)算軟件與方法。

由于以往的測(cè)算方法針對(duì)坡式梯田土方量的較少,所以本文根據(jù)土地整治規(guī)劃設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)圖件特點(diǎn),以湖北省陽(yáng)新縣三溪鎮(zhèn)低丘崗地改造項(xiàng)目為例,應(yīng)用數(shù)字高程模型（DEM）原理,結(jié)合GIS軟件的統(tǒng)計(jì)功能,提出快速而準(zhǔn)確測(cè)算丘陵區(qū)土地整治項(xiàng)目坡式梯田土方量的方法,為丘陵區(qū)土地整治工程坡式梯田土方量測(cè)算提供借鑒與參考。

1 研究區(qū)域概況

圖1 湖北省陽(yáng)新縣三溪鎮(zhèn)低丘崗地改造項(xiàng)目新街片規(guī)劃圖Fig.1 Xinjie area plan of land consolidation project in Sanxi town, Yangxin County, Hubei Province

圖2 坡式梯田斷面設(shè)計(jì)圖Fig.2 Section design of sloped terrace

本文選擇湖北省陽(yáng)新縣三溪等兩個(gè)鎮(zhèn)低丘崗地改造項(xiàng)目新街片為例（圖1）,介紹采用本方法進(jìn)行土方量測(cè)算步驟。項(xiàng)目區(qū)新街片位于東經(jīng)115°48′22″—115°49′13″,北緯29°50′34″—29°50′57″,建設(shè)規(guī)模36.22 hm2。整理區(qū)地貌低丘崗地特征明顯,內(nèi)地勢(shì)起伏較大,大部分在10°—15°,最高、最低高程分別為75.27 m和31.56 m。項(xiàng)目區(qū)總共有4個(gè)區(qū)域需要進(jìn)行坡改梯工程,面積分別為2.61 hm2、12.02 hm2、1.21 hm2和4.74 hm2。

2 坡式梯田土方平整量測(cè)算原理

2.1 坡式梯田斷面設(shè)計(jì)要素

坡式梯田斷面要素主要包括原地面坡度、降坡后地面坡度、田坎高度、田坎外坡度、田面凈寬、田面毛寬、田坎占地寬度和田面斜寬[11-12]。典型坡式梯田斷面圖如圖2。

2.2 坡式梯田土方量測(cè)算

（1）坡式梯田土方量測(cè)算原理

根據(jù)坡式梯田斷面設(shè)計(jì)圖,坡式梯田的控方量與填方量相等,且可以結(jié)合施工工藝實(shí)現(xiàn)邊控邊填,因此其總的土方量等于控方量或填方量。本文以坡式梯田填方量來(lái)說(shuō)明坡式梯田土方測(cè)算過(guò)程,單位面積（1 hm2）坡式梯田填方量可采用式1計(jì)算：

式1中,V填為單位面積坡式梯田填方量（m3）；SOAC為三角形?OAC的斷面面積（m2）；L為單位面積梯田的長(zhǎng)度（m）。

（2）三角形?OAC的斷面面積

（3）1 hm2梯田的長(zhǎng)度L

（4）臺(tái)面高差H′與田坎高度H的關(guān)系

（5）坡式梯田填方量測(cè)算公式推導(dǎo)[11]

通過(guò)式5可以得出,坡式梯田填方量大小和田坎坡度（α）、原地面坡度（θ）、降坡后地面坡度（β）、田坎高度（H）和臺(tái)面高度（H′）密切相關(guān),只要確定了α、 β和H（或θ、 β和H′）3個(gè)坡式梯田斷面參數(shù)就可確定坡式梯田土方平整量。在土壤特性等因素確定的條件下,地面坡度是確定參數(shù)α、 β和H的關(guān)鍵因素。因此,只要確定了整理區(qū)坡度的分布情況,坡式梯田填方量的計(jì)算就容易了。

3 基于GIS的坡式梯田土方平整量快速測(cè)算方法

GIS具有坡度統(tǒng)計(jì)功能,這為利用GIS進(jìn)行坡式梯田土方量計(jì)算提供了可行性,應(yīng)用GIS技術(shù)測(cè)算土方量是GIS軟件空間分析功能的體現(xiàn)。應(yīng)用GIS 軟件測(cè)算土方量需要項(xiàng)目區(qū)的等高線、高程點(diǎn)等高程數(shù)據(jù),一般項(xiàng)目區(qū)都具有最新測(cè)量的數(shù)字化地形圖,為GIS軟件的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文運(yùn)用MAPGIS快速測(cè)算坡式梯田土方量基本步驟如圖3。

4 測(cè)算實(shí)例

4.1 測(cè)算結(jié)果

根據(jù)提出的運(yùn)用MAPGIS快速測(cè)算坡式梯田土方量基本步驟,借助MAPGIS對(duì)湖北省陽(yáng)新縣三溪等二個(gè)鎮(zhèn)低丘崗地改造項(xiàng)目新街片進(jìn)行坡度分區(qū)（圖4）,并對(duì)不同坡度范圍的坡地進(jìn)行降坡設(shè)計(jì)（表1）,然后帶入坡式梯田土方平整量測(cè)算公式,快速測(cè)算土地平整量并進(jìn)行匯總（表1）,本方法用時(shí)時(shí)間較短,完成整個(gè)計(jì)算只需要1個(gè)小時(shí),快速簡(jiǎn)單。

4.2 對(duì)比分析

本文選用了借助AutoCAD軟件進(jìn)行人工判讀確定坡度的方法與此方法進(jìn)行比較,不同整理區(qū)坡度與土方量計(jì)算見(jiàn)表1。在同一臺(tái)計(jì)算上完成坡度分區(qū)與土方計(jì)算人工判讀的方法共花費(fèi)了5個(gè)小時(shí),耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。兩種方法除在部分較小的坡度面積上存在一定的差異外,其他坡度面積差異較小,4個(gè)土地平整區(qū)總土方量除A區(qū)兩種計(jì)算方法相差9.6%外,其他三區(qū)兩種方法都在3%以內(nèi)。說(shuō)明本方法精度較高,具有一定的可行性。

圖3 坡式梯田土方平整量快速測(cè)算流程Fig.3 Fast estimation process of sloped terrace earthwork

圖4 整理區(qū)域坡度分區(qū)圖Fig.4 Slope map of land leveling area

表1 坡式梯田土方平整量測(cè)算表Tab.1 Earthwork calculation of sloping terrace land leveling

5 結(jié)論與討論

本文提出了針對(duì)山地丘陵地區(qū)梯田土方量測(cè)算的一種新方法,并將此種方法應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目區(qū),通過(guò)研究得出以下結(jié)論：

（1）坡式梯田土方量大小和田坎坡度（α）、原地面坡度（θ）、降坡后地面坡度（β）、田坎高度（H）和臺(tái)面高度（H′）密切相關(guān),只要確定了α、 β和H（或θ、 β和H′）三個(gè)坡式梯田斷面參數(shù)就可確定坡式梯田土方平整量,利用GIS進(jìn)行坡式梯田土方量測(cè)算具有可行性。

（2）本文提出的測(cè)算土方量方法原理清楚、測(cè)算速度便捷；只需運(yùn)用GIS統(tǒng)計(jì)獲得整理區(qū)不同坡度分區(qū)的面積,就可依據(jù)坡式梯田斷面要素（田坎高度、田坎坡度和降坡后田面坡度）快速測(cè)算不同坡度范圍的土地平整量,大大減小了土方量測(cè)算的工作量。

（3）該方法具有簡(jiǎn)便、快捷的特點(diǎn),具有較強(qiáng)的實(shí)用性,可為丘陵區(qū)坡式梯田土地平整工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供快速的技術(shù)依據(jù)。

（References）:

［1］ 王禮先.水土保持工程學(xué)［M］.北京：中國(guó)林業(yè)出版社,2000.

［2］ 柳長(zhǎng)順,杜麗娟.Arcview在土地整理項(xiàng)目土方量計(jì)算中的運(yùn)用［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19（2）：224-227.

［3］ 董捷,張安錄.南方丘陵地區(qū)的土地整理——以廣西上思縣為例［J］.中國(guó)土地科學(xué),2004,18（2）：53-55.

［4］ 劉寧,鄖文聚,雷廷武.丘陵地區(qū)梯田土方量的快速計(jì)算方法及應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23（4）：47-51.

［5］ 金曉斌,李海濤,周寅康,等.基于DEM的丘陵山區(qū)土地整理項(xiàng)目輔助決策［J］.中國(guó)土地科學(xué),2004,18（1）：39-44.

［6］ 魯成樹(shù),吳次芳,汪峰,等.農(nóng)地整理土方工程量計(jì)算及調(diào)配中地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19（6）：289-292.

［7］ 昌龍然,張偉,李燦,等.基于GIS技術(shù)的土地平整工程相關(guān)問(wèn)題探討［J］.西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版）,2008,6（3）：9-12.

［8］ 鮑海君,吳次芳,葉艷妹,等.土地整理中田塊設(shè)計(jì)和“3S”技術(shù)應(yīng)用研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002,18（1）：169-172.

［9］ 中華人民共和國(guó)水利部.GB/T16453.1-2008.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范坡耕地治理技術(shù)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

［10］ 范玉芳,羅友進(jìn),魏朝富.西南丘陵山區(qū)坡耕地水平梯田工程設(shè)計(jì)分析［J］.山地學(xué)報(bào),2010,28（5）：560-565.

［11］ 鄭財(cái)貴,邱道持,田水松.丘陵地區(qū)坡式梯田土方量計(jì)算公式推導(dǎo)［J］.西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,31（1）：173-178.

［12］ 周文剛,劉秀華,楊朝現(xiàn).西南丘陵山區(qū)土地整理現(xiàn)狀與對(duì)策研究［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2008,33（2）：104-109.